BAB 2: SPEKTRUM GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Definisi dan Sifat-Sifat Gelombang Elektromagnetik

Dalam dunia fisika, kita mengenal gelombang sebagai getaran yang merambat, membawa energi tanpa memindahkan materi secara permanen. Salah satu jenis gelombang yang memegang peranan penting, terutama dalam penginderaan jauh, adalah gelombang elektromagnetik.

Dua medan yang saling terkait, medan listrik dan medan magnet, berosilasi secara tegak lurus satu sama lain dan juga tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Itulah gambaran dasar dari gelombang elektromagnetik. Gelombang ini unik karena tidak memerlukan medium untuk merambat; mereka dapat bergerak bebas bahkan dalam ruang hampa udara, seperti yang dibuktikan oleh cahaya matahari yang sampai ke bumi.

Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah konstanta universal, yang kita kenal sebagai kecepatan cahaya, yaitu sekitar 299.792.458 meter per detik. Kecepatan ini dapat sedikit berkurang ketika gelombang melewati medium lain, seperti udara, air atau media padat lainnya.

Sifat-sifat gelombang elektromagnetik dapat dijelaskan melalui beberapa parameter kunci:

1. Panjang gelombang (𝝺): Jarak antara dua titik yang setara pada gelombang yang berurutan, misalnya, jarak antara dua puncak gelombang. Panjang gelombang diukur dalam satuan meter atau turunannya.
2. Frekuensi (f): Jumlah gelombang yang melewati suatu titik tetap dalam satu detik. Frekuensi diukur dalam Hertz, di mana 1 Hz sama dengan satu siklus gelombang per detik.
3. Amplitudo: Simpangan maksimum gelombang dari posisi kesetimbangannya. Amplitudo berhubungan dengan intensitas atau energi yang dibawa oleh gelombang.

Panjang gelombang dan frekuensi gelombang elektromagnetik memiliki hubungan terbalik. Semakin pendek panjang gelombang, semakin tinggi frekuensinya, dan sebaliknya. Hubungan ini dapat dirumuskan sebagai:

di mana c adalah kecepatan cahaya; 𝝺 adalah panjang gelombang; dan  f adalah frekuensi

Pemahaman terkait definisi dan sifat-sifat gelombang elektromagnetik menjadi fondasi penting dalam mempelajari penginderaan jauh. Interaksi antara gelombang elektromagnetik dengan objek di permukaan bumi memberikan informasi berharga yang dapat diinterpretasi untuk berbagai keperluan.

Spektrum Elektromagnetik dan Penginderaan Jauh

Gelombang elektromagnetik, meskipun memiliki sifat dasar yang sama, ternyata memiliki rentang frekuensi dan panjang gelombang yang sangat luas. Rentang inilah yang kita kenal sebagai spektrum elektromagnetik. Seperti pelangi yang indah dengan gradasi warna, spektrum elektromagnetik tersusun dari berbagai jenis gelombang dengan karakteristik unik, mulai dari gelombang radio dengan panjang gelombang kilometer hingga sinar gamma dengan panjang gelombang lebih kecil dari inti atom.

Mari kita coba untuk memahami lebih lanjut tentang gelombang elektromagnetik ini. Gelombang ini terbentuk dari medan listrik dan medan magnet yang berosilasi secara tegak lurus satu sama lain dan juga tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Keunikannya? Gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium untuk merambat, mereka dapat bergerak bebas bahkan dalam ruang hampa udara dengan kecepatan konstan, yang kita kenal sebagai kecepatan cahaya (sekitar 299.792.458 meter per detik).

Lalu, apa hubungannya dengan penginderaan jauh? Di sinilah letak keajaibannya. Setiap objek di permukaan bumi, baik itu tanah, vegetasi, air, atau bahkan bangunan, memiliki interaksi yang khas dengan gelombang elektromagnetik pada rentang spektrum tertentu. Interaksi ini dapat berupa pemantulan, penyerapan, atau transmisi gelombang, yang dipengaruhi oleh sifat fisik dan kimia objek tersebut.

Penginderaan jauh memanfaatkan fenomena interaksi unik ini. Dengan merekam dan menganalisis energi elektromagnetik yang dipantulkan atau dipancarkan oleh objek di permukaan bumi, kita dapat memperoleh informasi berharga tentang objek tersebut tanpa kontak langsung.

Untuk memahaminya lebih lanjut, mari kita lihat klasifikasi spektrum elektromagnetik berdasarkan panjang gelombang atau frekuensinya:

1. Gelombang Radio (λ > 30 cm): Memiliki frekuensi terendah dan panjang gelombang terpanjang. Digunakan dalam komunikasi radio, televisi, dan radar. Dalam penginderaan jauh, gelombang mikro (bagian dari gelombang radio) digunakan untuk memetakan topografi, memantau pergerakan tanah, dan mendeteksi objek di balik awan atau pada malam hari.
2. Gelombang Mikro (30 cm > λ > 1 mm): Mampu menembus awan dan hujan ringan, digunakan dalam microwave oven, komunikasi satelit, dan radar.
3. Inframerah (1 mm > λ > 700 nm): Dirasakan sebagai panas, digunakan dalam remote control, pencitraan termal, dan mempelajari pembentukan bintang. Dalam penginderaan jauh, inframerah sensitif terhadap panas, digunakan untuk memantau suhu permukaan, kebakaran hutan, dan aktivitas vulkanik.
4. Cahaya Tampak (700 nm > λ > 400 nm): Satu-satunya rentang spektrum yang dapat dilihat oleh mata manusia, terdiri dari warna-warna pelangi (merah hingga ungu). Digunakan dalam fotografi, pencahayaan, dan berbagai instrumen optik. Dalam penginderaan jauh, cahaya tampak digunakan untuk pemetaan tutupan lahan, pemantauan kesehatan vegetasi, dan analisis penggunaan lahan.
5. Ultraviolet (400 nm > λ > 10 nm): Memiliki energi yang cukup tinggi untuk membunuh bakteri dan virus, digunakan dalam sterilisasi, terapi cahaya, dan mempelajari komposisi atmosfer. Meskipun sebagian besar diserap oleh atmosfer bumi, ultraviolet dapat digunakan untuk mempelajari komposisi atmosfer dan mendeteksi polusi.
6. Sinar-X (10 nm > λ > 0.01 nm): Mampu menembus jaringan lunak manusia, digunakan dalam pencitraan medis, pemeriksaan keamanan, dan mempelajari struktur kristal.
7. Sinar Gamma (λ < 0.01 nm): Memiliki energi dan frekuensi tertinggi, dipancarkan oleh inti atom radioaktif, digunakan dalam pengobatan kanker, sterilisasi peralatan medis, dan mempelajari proses nuklir.

Pemilihan rentang spektrum yang tepat sangat penting dalam penginderaan jauh. Setiap rentang spektrum memberikan informasi yang berbeda tentang objek yang diamati. Misalnya, untuk memetakan vegetasi, rentang spektrum inframerah dekat lebih efektif daripada cahaya tampak karena vegetasi memantulkan energi inframerah dekat dengan kuat.

Interaksi Gelombang Elektromagnetik dengan Atmosfer

Interaksi gelombang elektromagnetik dengan atmosfer bumi merupakan proses yang kompleks dan dinamis. Gas-gas di atmosfer, seperti ozon, karbon dioksida, dan uap air, memiliki karakteristik serapan yang unik. Mereka menyerap energi GEM pada panjang gelombang tertentu, yang dikenal sebagai absorption band, sehingga hanya sebagian kecil energi yang dapat mencapai permukaan bumi. Konsekuensinya, tidak semua spektrum GEM dapat digunakan untuk penginderaan jauh. Sebagian gelombang elektromagnetik tidak dapat menembus atmosfer karena diserap atau dipantulkan sebelum mencapai permukaan bumi. Hanya rentang panjang gelombang tertentu, yang disebut atmospheric windows, yang dapat dimanfaatkan untuk aktivitas penginderaan jauh. Pada atmospheric windows ini, absorpsi dan hamburan oleh atmosfer minimum, sehingga transmisi GEM relatif tinggi, memungkinkan penginderaan jauh permukaan bumi dari luar angkasa dengan lebih optimal.

Interaksi Gelombang Elektromagnetik dengan Objek

Setiap objek di permukaan bumi, baik itu tanah, vegetasi, air, bangunan, atau objek lainnya, memiliki interaksi yang khas dengan gelombang elektromagnetik. Interaksi ini menjadi dasar bagaimana penginderaan jauh bekerja. Ketika gelombang elektromagnetik mengenai suatu objek, energinya akan mengalami tiga perlakuan utama:

1. Dipantulkan (reflected): Sebagian energi gelombang elektromagnetik akan dipantulkan kembali oleh permukaan objek. Arah dan intensitas pantulan dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti kekasaran permukaan, sudut datang gelombang, dan sifat material objek. Pada penginderaan jauh, energi yang dipantulkan inilah yang umumnya direkam oleh sensor.
2. Diserap (absorbed) : Sebagian energi gelombang elektromagnetik akan diserap oleh objek dan diubah menjadi bentuk energi lain, seperti panas. Kemampuan objek dalam menyerap energi elektromagnetik bergantung pada komposisi material dan panjang gelombang gelombang yang datang. Misalnya, vegetasi menyerap energi merah dan biru dari cahaya tampak untuk fotosintesis, sementara memantulkan sebagian besar energi inframerah dekat.
3. Diteruskan (transmitted): Sebagian energi gelombang elektromagnetik dapat juga diteruskan menembus objek. Proses transmisi ini dipengaruhi oleh sifat material objek dan panjang gelombang gelombang. Misalnya, air relatif transparan terhadap cahaya tampak, tetapi menyerap sebagian besar gelombang inframerah.

Ketiga proses interaksi ini, yaitu pemantulan, penyerapan, dan transmisi, terjadi secara simultan dengan proporsi yang bervariasi tergantung pada karakteristik objek dan panjang gelombang elektromagnetik yang mengenainya. Dalam penginderaan jauh, sensor pada umumnya merekam energi elektromagnetik yang dipantulkan (reflected) atau dipancarkan (emitted) oleh objek.

Data satelit penginderaan jauh pasif, seperti yang dihasilkan oleh sebagian besar satelit penginderaan jauh, merekam energi elektromagnetik yang dipantulkan atau dipancarkan oleh objek di permukaan bumi. Perbedaan karakteristik pantulan dan serapan energi pada setiap objek menghasilkan kenampakan yang unik pada citra. Air, misalnya, umumnya tampak gelap pada citra inderaja pasif, terutama pada panjang gelombang tampak dan inframerah dekat. Fenomena ini disebabkan oleh tingginya tingkat absorpsi energi oleh air pada panjang gelombang tersebut. Semakin keruh atau tercemar air, semakin tinggi pula penyerapan energinya, sehingga air akan tampak semakin gelap. Berbeda dengan air, awan tampak cerah atau putih pada citra inderaja pasif. Hal ini disebabkan oleh tingginya kemampuan awan dalam memantulkan energi matahari, terutama pada panjang gelombang tampak. Semakin tebal awan, semakin banyak energi yang dipantulkan, sehingga awan akan tampak semakin cerah. Sementara itu, kenampakan polutan pada citra inderaja pasif lebih bervariasi. Penampakannya bergantung pada jenis dan konsentrasi polutan, serta karakteristik perairan. Umumnya, polutan menyebabkan kenampakan kabur atau berwarna pada permukaan air. Sebagai contoh, pencemaran minyak dapat menyebabkan permukaan air tampak lebih gelap atau memiliki tekstur yang berbeda dari air di sekitarnya. Pencemaran sedimen dapat menyebabkan air tampak lebih cerah atau keruh. Penting untuk diingat bahwa interpretasi citra inderaja harus dilakukan dengan hati-hati dan mempertimbangkan berbagai faktor, seperti jenis sensor, waktu perekaman, dan kondisi atmosfer. Dengan menganalisis pola dan intensitas energi yang terekam, kita dapat mengidentifikasi objek, memetakan karakteristiknya, dan memantau perubahannya seiring waktu. Misalnya, vegetasi yang sehat akan memantulkan lebih banyak energi inframerah dekat dibandingkan dengan vegetasi yang stres, sehingga memungkinkan kita untuk memantau kesehatan tanaman dari jarak jauh.